CN113027741A - 一种智能可编程式轴向柱塞泵控制器和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种智能可编程式轴向柱塞泵控制器和控制方法，属于智能液压元件领域。该控制器包括传感器组、控制板、以及安装在控制板上的ARM芯片、RISC‑V芯片、信号采集模块、滤波模块、电荷放大器、功率放大器、模式选择模块、显示模块和云存储模块；所述的控制板上还设有若干外部接口，可通过ARM芯片控制液压泵变量活塞腔内流量的大小及斜盘摆角大小，达到轴向柱塞泵的压力、流量、功率的自动复合控制，同时可通过检测液压泵的出口压力、斜盘摆角及泵壳体上振动等信号，基于RISC‑V芯片对液压泵的状态进行监测识别，针对液压泵的常见故障进行判断，并将判断结果传输给ARM芯片，实现了液压泵的预测性维护。

Description

一种智能可编程式轴向柱塞泵控制器和控制方法

技术领域

本发明涉及智能液压元件领域，尤其是针对液压泵开发了一种智能可编程式轴向柱塞泵控制器和控制方法。

背景技术

近些年来随着液压行业的逐渐发展，作为液压动力元件，液压变量泵的需求也逐渐向多样化、高性能化的方向发展。传统的液压泵采取机械变量结构，结构复杂，且存在恒功率控制精度不足等问题。液压泵在发生故障时，通常是渐变过程，故障累积到一定程度才会产生破坏，如果能在液压泵发生损伤时进行停机更换元器件，将会节省成本，提高工程效率。同时随着计算机控制技术和机器学习算法的飞速发展，流体传动领域将从基础元件到整机系统都朝着自动化、智能化和集成化控制方向发展。

发明内容

为了克服传统液压泵机械变量机构结构复杂，响应时间长，精度低等缺陷，本发明基于ARM芯片和RISC-V芯片开发了一种智能可编程式轴向柱塞泵控制器和控制方法，采用双芯片设计的方式，基于ARM芯片实现对液压泵变量机构(泵内斜盘)的高精度控制，基于RISC-V芯片实现对液压泵工作状况监测和故障诊断，实现液压泵流量、压力、功率的复合控制。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的其中一个目的在于提供一种智能可编程式轴向柱塞泵控制器，包括传感器组、控制板、以及安装在控制板上的第一芯片、第二芯片、第一信号采集模块、第二信号采集模块、滤波模块、电荷放大器、功率放大器、模式选择模块、显示模块和云存储模块；所述的控制板上还设有若干外部接口；

所述传感器组输出的角度信号和压力信号经滤波模块处理后送至第一信号采集模块，传感器组输出的振动信号经电荷放大器处理后送至第二信号采集模块；

所述的第一芯片为ARM芯片，所述ARM芯片与第一信号采集模块连接，ARM芯片对采集信号处理后输出控制信号，所述控制信号经功率放大器后作用于控制轴向柱塞泵内斜盘摆角的比例电磁铁；

所述的第二芯片为RISC-V芯片，所述RISC-V芯片连接第一信号采集模块和第二信号采集模块，RISC-V芯片与ARM芯片之间通过内部通讯模块实现通讯；

所述的模式选择模块连接ARM芯片，用于选择柱塞泵控制器的工作方式，包括手动模式或自动模式；所述的显示模块用于显示柱塞泵的工作状态参数；所述的云存储模块与RISC-V芯片和第二信号采集模块连接。

本发明的另一个目的在于提供一种基于上述的智能可编程式轴向柱塞泵控制器的控制方法，包括：

当轴向柱塞泵工作时，通过角度传感器、压力传感器、振动传感器实时获取泵内斜盘角度信号、泵口压力信号、泵壳振动信号；将泵内斜盘角度信号、泵口压力信号进行滤波处理后存储至第一信号采集模块中；将泵壳振动信号进行电荷放大器处理后存储至第二信号采集模块中；

ARM芯片获取第一信号采集模块中的数据，在ARM芯片内将滤波后的模拟信号转化为数字信号，通过斜盘角度获得斜盘的实时摆角，结合泵的转速得到泵的实时流量值，通过压力信号获得泵口的实时压力值，将流量值和压力值相结合获得泵的实时功率值；然后将获得的实时流量值、压力值和功率值与预设值进行对比，采用自适应PID算法输出PWM波占空比的大小，经功率放大器放大后作用于比例阀上，改变比例阀中比例电磁铁的电流大小，调整阀芯位移，进而改变液压泵的变量活塞腔流量，推动泵内斜盘，直至流量值、压力值和功率值达到预设值；

RISC-V芯片根据预设的时间间隔采集ΔT时间内的信号数据，包括第一采集模块得到的泵内斜盘角度信号、泵口压力信号，以及第二采集模块得到的泵壳振动信号；首先判断泵内斜盘角度信号和泵口压力信号是否超过预设的阈值，若任一信号超过阈值，则判断为故障，将故障信号发送至ARM芯片，控制泵内斜盘停止运动，同时通过wifi接口和CAN总线接口向柱塞泵工控机发送指令，控制电机停止转动；

若泵内斜盘角度信号和泵口压力信号均不超过阈值，则将采集到的振动信号进行预处理和特征提取，利用预训练好的诊断模型输出判断结果，若判断结果为故障状态，则立即将故障信号发送至ARM芯片，控制泵内斜盘停止运动，同时通过wifi接口和CAN总线接口向柱塞泵工控机发送指令，控制电机停止转动，以及同时根据故障类型进行系统报警提示，将故障数据存储至云存储模块中；若判断为正常状态，则柱塞泵正常工作，并实时显示柱塞泵的工作状态参数。

与现有技术相比，本发明的优势在于：本发明采用控制、诊断双芯片一体化的智能可编程控制器，结构紧凑，功能模块集成度高，基于ARM芯片实现对液压泵变量机构的高精度控制，基于RISC-V芯片实现对液压泵工作状况监测和故障诊断，提高液压泵的斜盘变量的精度，实现液压泵流量、压力、功率的复合控制，同时针对液压泵的故障和状态进行监测，当判断其处于故障状态时，直接进行停机，实现对液压泵的预测性维护，进一步降低液压泵的破坏程度和维修成本，提高了工程施工效率。

本发明在RISC-V芯片内基于预训练的诊断模型实现上述的监测过程，利用云存储模块中实时更新的训练样本对诊断模型的参数不断更新和完善，提高了诊断的精度。

本发明的控制器具备手动模式和自动模式，与同种液压泵相比较，智能化程度提高，手动模式用于实现人工操作，控制器可根据人工输入的流量、压力、功率值进行泵内斜盘的控制；自动模式用于实现当液压泵处于恶劣的无人化环境，可保证其稳定工作。

附图说明

图1为根据一示例性实施例示出的智能可编程式轴向柱塞泵控制器结构示意图；

图2为根据一示例性实施例示出的控制器控制方式流程示意图；

图3为根据一示例性实施例示出的双芯片工作方式整体流程图。

具体实施方案

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步描述本发明。

如图1所示，本发明通过在液压泵斜盘上安装非接触角度传感器，液压泵出口安装压力传感器，在液压泵的三轴(X，Y，Z)安装振动传感器，可通过ARM芯片控制液压泵变量活塞腔内流量的大小及斜盘摆角大小，达到轴向柱塞泵的压力、流量、功率的自动复合控制，同时可通过检测液压泵的出口压力、斜盘摆角及泵壳体上振动等信号，基于RISC-V芯片对液压泵的状态进行监测识别，针对液压泵的常见故障进行判断，并将判断结果传输给ARM芯片，实现了液压泵的预测性维护，同时实时数据库上传到云存储模块。上述双芯片式的控制器，在传统液压泵基础上，提高了液压泵的电控化、自动化和智能化水平。

如图1所示，本发明提出的一种智能可编程式轴向柱塞泵控制器，包括：传感器组、控制板、以及安装在控制板上的第一芯片、第二芯片、第一信号采集模块、第二信号采集模块、滤波模块、电荷放大器、功率放大器、模式选择模块、显示模块和云存储模块；所述的控制板上还设有若干外部接口；

所述传感器组输出的角度信号和压力信号经滤波模块处理后送至第一信号采集模块，传感器组输出的振动信号经电荷放大器处理后送至第二信号采集模块；所述的滤波模块用于降低信号中的噪声，提高信号采集的精度。

所述的第一芯片为ARM芯片，所述ARM芯片与第一信号采集模块连接，ARM芯片对采集信号处理后输出控制信号，所述控制信号经功率放大器后作用于控制轴向柱塞泵内斜盘摆角的比例电磁铁；具体的，ARM芯片为包含STM32F4等系列在内的基于ARM架构的嵌入式控制芯片，以STM32F407作为主控制芯片，直接控制输出PWM的占空比，通过功率放大电路，可将输出信号放大后，直接对液压泵的变量机构进行控制。

所述的第二芯片为RISC-V芯片，所述RISC-V芯片连接第一信号采集模块和第二信号采集模块，RISC-V芯片与ARM芯片之间通过内部通讯模块实现通讯；具体的，RISC-V芯片为包含K210在内的基于RISC-V架构的深度学习芯片，选择K210为主控芯片，基于5G云端数据交互与存储，采用机器学习算法对采集信号进行处理，通过内部通讯模块将监测结果传输到STM32F407，控制液压泵的变量机构。

所述的模式选择模块连接ARM芯片，用于选择柱塞泵控制器的工作方式，包括手动模式或自动模式；所述的显示模块用于显示柱塞泵的工作状态参数；所述的云存储模块与RISC-V芯片和第二信号采集模块连接。

在本发明的一项具体实施中，所述的传感器组包括角度传感器、压力传感器和振动传感器；所述的角度传感器和振动传感器安装在轴向柱塞泵的外壳上，所述的压力传感器安装在轴向柱塞泵的泵口处；所述的角度传感器和压力传感器的输出端连接滤波模块，所述的振动传感器的输出端连接电荷放大器。

所述电荷放大器内置于振动传感器中，也可以独立于振动传感器之外。

所述控制器的内部还安装有用于屏蔽外界电子信号干扰的光耦隔离模块，能够用于屏蔽掉多余电子信号的干扰，防止电流倒灌烧毁主控芯片，确保所述控制器可以在恶劣的工况下持续工作。

在信号采集模块中，采用24位高精度ADC采集模块或者12位低精度ADC采集模块。

所述的功率放大器通过提供9-36V范围内的参考电压，将第一芯片输出的控制信号功率进行放大。其通过提供不同的参考电压，能够得到宽范围的PWM方波，给电磁铁提供宽范围的电流。

所述控制板上设置的外部接口包括wifi接口、CAN总线接口、PC端接口和调试接口；所述的wifi接口和CAN总线接口用于扩展待控制的柱塞泵，实现柱塞泵与控制器之间的通讯；所述的调试接口与外部的串口调试模块连接，用于烧录和调试控制程序；所述的PC端接口用于实现PC端通讯，可通过计算机发送指令给ARM芯片，以此来实现通过计算机来远程控制液压泵变量，也可将液压泵工作参数和诊断监测结果实时传输到PC。

上述控制器具备双控制模式，手动模式和自动模式，自动模式指通过手动按键改变被控量(流量、压力、功率)，自动模式指通过压力、角度、振动传感器监测柱塞泵出口及壳体信号，RISC-V芯片基于原始数据库对泵的状态进行识别，并将处理结果反馈给ARM处理器，自动调节变量柱塞泵的工作模式。两种模式下均由ARM芯片输出通用的PWM波控制比例电磁铁运动。本实施例中，ARM芯片的控制方式采取自适应PID算法，采用PWM信号控制比例电磁铁，使得电磁铁阀芯时刻处于颤振状态，可降低阀芯位置变化时的摩擦力大小，同时通过优化PWM占空比和PWM频率，提高控制的响应时间。

本发明还提出一种上述控制器的控制方式，其整体流程示意图如图2所示，其核心芯片为STM32F407和K210，STM32F407主要控制液压泵的变量控制过程。

当轴向柱塞泵工作时，通过角度传感器、压力传感器、振动传感器实时获取泵内斜盘角度信号、泵口压力信号、泵壳振动信号；将泵内斜盘角度信号、泵口压力信号进行滤波处理后存储至第一信号采集模块中；将泵壳振动信号进行电荷放大器处理后存储至第二信号采集模块中；

ARM芯片获取第一信号采集模块中的数据，在ARM芯片内将滤波后的模拟信号转化为数字信号，通过斜盘角度获得斜盘的实时摆角，结合泵的转速得到泵的实时流量值，通过压力信号获得泵口的实时压力值，将流量值和压力值相结合获得泵的实时功率值；然后将获得的实时流量值、压力值和功率值与预设值进行对比，采用自适应PID算法输出PWM波占空比的大小，经功率放大器放大后作用于比例阀上，改变比例阀中比例电磁铁的电流大小，调整阀芯位移，进而改变液压泵的变量活塞腔流量，推动泵内斜盘，直至流量值、压力值和功率值达到预设值；

RISC-V芯片根据预设的时间间隔采集ΔT时间内的信号数据，包括第一采集模块得到的泵内斜盘角度信号、泵口压力信号，以及第二采集模块得到的泵壳振动信号；首先判断泵内斜盘角度信号和泵口压力信号是否超过预设的阈值，若任一信号超过阈值，则判断为故障，将故障信号发送至ARM芯片，控制泵内斜盘停止运动，同时通过wifi接口和CAN总线接口向柱塞泵工控机发送指令，控制电机停止转动；

若泵内斜盘角度信号和泵口压力信号均不超过阈值，则将采集到的振动信号进行预处理和特征提取，利用预训练好的诊断模型输出判断结果，若判断结果为故障状态，则立即将故障信号发送至ARM芯片，控制泵内斜盘停止运动，同时通过wifi接口和CAN总线接口向柱塞泵工控机发送指令，控制电机停止转动，以及同时根据故障类型进行系统报警提示，将故障数据存储至云存储模块中；若判断为正常状态，则柱塞泵正常工作，并实时显示柱塞泵的工作状态参数。

当选用手动模式时，RISC-V芯片停止工作。以流量控制为例，手动输入预设流量，控制器带有可与角度、压力传感器相连的外部接口，其中角度和压力信号需通过滤波模块降噪处理才能传输给采集电路，通过ARM芯片进行模数转换，更具体的，是采用ARM芯片中的AD7190芯片进行模数转换，将模拟信号转换为数字信号；同时还需获取泵的转速值，本实施例中，液压泵的转速由工控机通过CAN总线接口传输给ARM芯片，根据角度值、压力值和转速值，即可通过计算使其在显示模块中显示出相应的数值，此时显示值为当前泵出口流量值；然后通过计算当前流量值和预设值的对比，采用自适应PID算法确定PWM波占空比大小，即可改变比例阀中比例电磁铁的电流大小，调整阀芯位移，改变液压泵的变量活塞腔流量，推动斜盘，直到出口流量达到预设值；同理压力控制和功率控制与上述过程类似，此处不再赘述。

在自动模式下会利用到RISC-V芯片中的诊断模型，所述的诊断模型为采用机器学习的方式训练得到的多分类器模型，以正常状态和故障状态采集到的振动信号作为训练样本，以真实的正常状态或故障状态作为标签，存储至云存储模块中，且训练样本随着时间不断更新。

本实施例中，图2中的电荷放大器处于振动传感器的外部，属于外置的形式。

如图3所示，RISC-V芯片对液压泵的工作状态进行判断的流程为：首先在程序内部设置检测时间间隔ΔT，在ΔT内对振动(内含电荷放大器，已对信号进行处理)、角度、压力等信号进行采集，传递到RISC-V芯片(已经烧录特征提取和诊断模型程序)内，对上述信号进行特征提取作为测试集，通过5G云提供在线数据库作为训练集，选择诊断模型进行训练。若判断结果为液压泵处于故障状态，则将判断柱塞泵为何种故障，系统发出报警信号，将此故障数据存入在线数据库，上传到5G云中，同时给ARM芯片发指令，控制模块处于断电状态，控制执行机构运动，液压泵斜盘恢复最小转角，泵出口流量降到最小，同时通过CAN总线向试验台工控机发送指令，电机逐渐降低转速直至0，液压泵停止工作，拆机进行维修。若判断结果为液压泵处于正常状态，则控制器将会在显示模块上显示柱塞泵的工作状态参数(流量、压力、功率、转速，工作时间等)，同时进入下一个周期ΔT进行采集，往复循环上述过程。

最后可以利用wifi接口和CAN总线接口，将多个液压泵连接在一起，形成网络化控制，可以一带一或一带多工作，实现将控制器连入网络中，进行互联网操作，适应了网络控制的潮流。

另外，在本发明各个实施例中的各模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。除了上述提及到的功能模块之外，也可以引入其他功能模块，例如电源模块、以太网模块、EEPROM存储模块、其它保护电路、过压保护、反接保护模块等，不影响本发明的核心功能的实施，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能可编程式轴向柱塞泵控制器，其特征在于，包括传感器组、控制板、以及安装在控制板上的第一芯片、第二芯片、第一信号采集模块、第二信号采集模块、滤波模块、电荷放大器、功率放大器、模式选择模块、显示模块和云存储模块；所述的控制板上还设有若干外部接口；

所述传感器组输出的角度信号和压力信号经滤波模块处理后送至第一信号采集模块，传感器组输出的振动信号经电荷放大器处理后送至第二信号采集模块；

所述的第一芯片为ARM芯片，所述ARM芯片与第一信号采集模块连接，ARM芯片对采集信号处理后输出控制信号，所述控制信号经功率放大器后作用于控制轴向柱塞泵内斜盘摆角的比例电磁铁；

所述的第二芯片为RISC-V芯片，所述RISC-V芯片连接第一信号采集模块和第二信号采集模块，RISC-V芯片与ARM芯片之间通过内部通讯模块实现通讯；

所述的模式选择模块连接ARM芯片，用于选择柱塞泵控制器的工作方式，包括手动模式或自动模式；所述的显示模块用于显示柱塞泵的工作状态参数；所述的云存储模块与RISC-V芯片和第二信号采集模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种智能可编程式轴向柱塞泵控制器，其特征在于，所述的传感器组包括角度传感器、压力传感器和振动传感器；所述的角度传感器和振动传感器安装在轴向柱塞泵的外壳上，所述的压力传感器安装在轴向柱塞泵的泵口处；所述的角度传感器和压力传感器的输出端连接滤波模块，所述的振动传感器的输出端连接电荷放大器。

3.根据权利要求2所述的一种智能可编程式轴向柱塞泵控制器，其特征在于，所述电荷放大器内置于振动传感器中。

4.根据权利要求1所述的一种智能可编程式轴向柱塞泵控制器，其特征在于，所述控制器的内部还安装有用于屏蔽外界电子信号干扰的光耦隔离模块。

5.根据权利要求1所述的一种智能可编程式轴向柱塞泵控制器，其特征在于，所述的第一信号采集模块和第二信号采集模块采用24位高精度ADC采集模块或者12位低精度ADC采集模块。

6.根据权利要求1所述的一种智能可编程式轴向柱塞泵控制器，其特征在于，所述的功率放大器通过提供9-36V范围内的参考电压，将第一芯片输出的控制信号功率进行放大。

7.根据权利要求1所述的一种智能可编程式轴向柱塞泵控制器，其特征在于，所述控制板上设置的外部接口包括wifi接口、CAN总线接口、PC端接口和调试接口；所述的wifi接口和CAN总线接口用于扩展待控制的柱塞泵，实现柱塞泵与控制器之间的通讯；所述的调试接口与外部的串口调试模块连接，用于烧录和调试控制程序；所述的PC端接口用于实现PC端通讯。

8.一种基于权利要求1所述的智能可编程式轴向柱塞泵控制器的控制方法，其特征在于，包括：

当轴向柱塞泵工作时，通过角度传感器、压力传感器、振动传感器实时获取泵内斜盘角度信号、泵口压力信号、泵壳振动信号；将泵内斜盘角度信号、泵口压力信号进行滤波处理后存储至第一信号采集模块中；将泵壳振动信号进行电荷放大器处理后存储至第二信号采集模块中；

ARM芯片获取第一信号采集模块中的数据，在ARM芯片内将滤波后的模拟信号转化为数字信号，通过斜盘角度获得斜盘的实时摆角，结合泵的转速得到泵的实时流量值，通过压力信号获得泵口的实时压力值，将流量值和压力值相结合获得泵的实时功率值；然后将获得的实时流量值、压力值和功率值与预设值进行对比，采用自适应PID算法输出PWM波占空比的大小，经功率放大器放大后作用于比例阀上，改变比例阀中比例电磁铁的电流大小，调整阀芯位移，进而改变液压泵的变量活塞腔流量，推动泵内斜盘，直至流量值、压力值和功率值达到预设值；

RISC-V芯片根据预设的时间间隔采集ΔT时间内的信号数据，包括第一采集模块得到的泵内斜盘角度信号、泵口压力信号，以及第二采集模块得到的泵壳振动信号；首先判断泵内斜盘角度信号和泵口压力信号是否超过预设的阈值，若任一信号超过阈值，则判断为故障，将故障信号发送至ARM芯片，控制泵内斜盘停止运动，同时通过wifi接口和CAN总线接口向柱塞泵工控机发送指令，控制电机停止转动；

若泵内斜盘角度信号和泵口压力信号均不超过阈值，则将采集到的振动信号进行预处理和特征提取，利用预训练好的诊断模型输出判断结果，若判断结果为故障状态，则立即将故障信号发送至ARM芯片，控制泵内斜盘停止运动，同时通过wifi接口和CAN总线接口向柱塞泵工控机发送指令，控制电机停止转动，以及同时根据故障类型进行系统报警提示，将故障数据存储至云存储模块中；若判断为正常状态，则柱塞泵正常工作，并实时显示柱塞泵的工作状态参数。

9.根据权利要求8所述的智能可编程式轴向柱塞泵控制器的控制方法，其特征在于，当控制器处于手动模式时，RISC-V芯片停止工作。

10.根据权利要求8所述的智能可编程式轴向柱塞泵控制器的控制方法，其特征在于，所述的诊断模型为采用机器学习的方式训练得到的多分类器模型，以正常状态和故障状态采集到的振动信号作为训练样本，以真实的正常状态或故障状态作为标签，存储至云存储模块中，且训练样本随着时间不断更新。

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